比色法測(cè)碘酸銅溶度積常數(shù)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

丁子都，雷英杰，梁云，李襄宏,＊，王炎英，黃濤

1 中南民族大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，武漢 430073

2 中南民族大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程訓(xùn)練中心，武漢 430073

難溶強(qiáng)電解質(zhì)的沉淀溶解平衡是四大化學(xué)平衡之一，其平衡常數(shù)又稱溶度積常數(shù)，反映了難溶強(qiáng)電解質(zhì)的溶解能力。在無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，溶度積常數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)是無(wú)機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中非常重要的實(shí)驗(yàn)之一，不僅可以讓學(xué)生在實(shí)踐中理解溶度積原理、學(xué)習(xí)難溶鹽及其飽和溶液的制備方法，還能夠訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理能力。碘酸銅則是本實(shí)驗(yàn)中所使用的難溶強(qiáng)電解質(zhì)，目前測(cè)定其溶度積常數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法有比色法[1–6]、碘量法[7,8]、催化動(dòng)力學(xué)法[9]和電導(dǎo)法[10]。盡管方法多樣，在無(wú)機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室中，考慮儀器設(shè)備以及不同基礎(chǔ)的一年級(jí)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的可操作性，比色法是最為常用的方法。比色法中，測(cè)定Cu2+濃度時(shí)用到的顯色劑為氨水，用量較大[1–6]。眾所周知，氨水易揮發(fā)氨氣，具有強(qiáng)烈刺鼻氣味且有一定的腐蝕作用，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中造成一定程度的環(huán)境污染，后處理也比較麻煩。本實(shí)驗(yàn)中，以甘氨酸作為顯色劑，進(jìn)而測(cè)定飽和碘酸銅溶液中Cu2+濃度，并計(jì)算溶度積常數(shù)。該法簡(jiǎn)單易行，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，測(cè)得的Cu(IO3)2溶度積數(shù)值與用氨水做顯色劑所獲數(shù)值接近，且符合文獻(xiàn)值范圍。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)刺激性氣味，實(shí)驗(yàn)完成后可濃縮回收得到甘氨酸合銅[11]。相比于氨水，以甘氨酸做顯色劑具有環(huán)境友好性，在大面積人數(shù)眾多的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中更為適用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

封閉式電爐、電子天平、722E型分光光度計(jì)、上海美析紫外可見(jiàn)-分光光度計(jì)、燒杯(100 mL 3個(gè))、玻璃棒(2支)、量筒(50 mL 1個(gè)、10 mL 1個(gè))、吸量管(1 mL、2 mL和5 mL各1支)、洗耳球、試管(2只)、比色管(10 mL 6只)、濾紙、普通漏斗、藥勺、滴管。CuSO4?5H2O(s)、KIO3(s)、CuSO4(0.100 mol?dm-3)、甘氨酸(2 mol?dm-3)、BaCl2(1 mol?dm-3)。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 Cu(IO3)2固體的制備

取0.8 g KIO3晶體和0.5 g CuSO4?5H2O晶體，按《無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》教材方法[12]，制備并洗滌Cu(IO3)2固體。

1.2.2 Cu(IO3)2飽和溶液的制備

將濕的Cu(IO3)2固體轉(zhuǎn)移至普通漏斗過(guò)濾，取濾紙上黃豆粒大小的固體加入到100 mL近沸的蒸餾水中，保溫?cái)嚢? min后取下，冷卻至室溫，再采用普通過(guò)濾，得到Cu(IO3)2的飽和溶液。

1.2.3 Cu2+標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

分別用吸量管取0.10、0.20、0.30、0.40和0.50 mL 的0.100 mol?dm-3CuSO4溶液于5個(gè)10 mL比色皿中，各加2 mL 2 mol?dm-3甘氨酸溶液，加水定容。測(cè)定640 nm處的吸光度值，記錄數(shù)據(jù)，以A值為縱坐標(biāo)，C(Cu2+)為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.4 測(cè)定Cu(IO3)2飽和溶液中的C(Cu2+)

取5.00 mL Cu(IO3)2飽和溶液于10 mL比色管中，加2 mL 2 mol?dm-3甘氨酸溶液，加水定容至10 mL，測(cè)試其吸光度A值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 甘氨酸與Cu2+反應(yīng)時(shí)間研究

將甘氨酸與Cu2+混合后，溶液立刻顯示藍(lán)色，表明甘氨酸已與銅離子發(fā)生配位反應(yīng)，在紫外-可見(jiàn)吸收光譜儀上測(cè)定其吸收光譜，如圖1所示，其最大吸收峰位于640 nm。Cu(NH3)42+溶液的最大吸收峰位在600 nm。

圖1 甘氨酸合銅(II)的可見(jiàn)吸收光譜

考慮到在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，不同學(xué)生在配制溶液過(guò)程中操作時(shí)間不同，導(dǎo)致反應(yīng)程度不同，進(jìn)而影響吸光度值。因此，研究了甘氨酸與Cu2+混合后，溶液的吸光度隨時(shí)間變化關(guān)系，并以此確定二者充分反應(yīng)達(dá)到平衡的時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)中取0.10 mL 0.100 mol?dm-3CuSO4溶液于比色皿中，1.65 mL蒸餾水混勻后，移取0.25 mL 2 mol?dm-3甘氨酸，快速加入比色皿中，不攪拌，即刻測(cè)定640 nm處吸光度。此時(shí)，Cu2+與甘氨酸的濃度比為1:50。A640nm值與時(shí)間關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，初始的吸光度已達(dá)到0.18以上，表明二者反應(yīng)非常快。在給定時(shí)間6 min內(nèi)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，吸光度從0.186僅增加至0.202。隨后，隨時(shí)間延長(zhǎng)，吸光度變化極其微小，反應(yīng)基本已經(jīng)達(dá)到平衡。由此可見(jiàn)，在實(shí)際操作中，時(shí)間對(duì)吸光度數(shù)值影響不大，用甘氨酸作為顯色劑替代氨水進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)是可行的。

圖2 Cu2+與甘氨酸的反應(yīng)時(shí)間

2.2 甘氨酸加入的最佳體積

在制作標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度分別為1.0×10-3、2.0×10-3、3.0×10-3、4.0×10-3、5.0×10-3mol?dm-3。重點(diǎn)考察Cu2+溶液最大濃度為5.0×10-3mol?dm-3，其需要2 mol?dm-3甘氨酸的用量。取0.50 mL 0.100 mol?dm-3Cu2+溶液與不同體積2 mol?dm-3甘氨酸混勻稀釋并定容至10.0 mL，放置10 min后測(cè)試其在640 nm處的吸光度。如圖3所示，當(dāng)甘氨酸體積為0.20 mL，Cu2+與甘氨酸的濃度比為1:8時(shí)，溶液吸光度為0.011。繼續(xù)增加甘氨酸的體積至1 mL,Cu2+與甘氨酸的濃度比為1:40，溶液吸光度為0.180。由此可見(jiàn)，甘氨酸體積0–1 mL時(shí)，溶液的吸光度隨甘氨酸用量的增加而快速增加。當(dāng)甘氨酸體積為1.6 mL時(shí)，溶液吸光度達(dá)到0.206。然而，甘氨酸體積在1.6–4.0 mL范圍內(nèi)，溶液吸光度基本穩(wěn)定在0.20–0.21范圍內(nèi)。綜合考慮，選擇甘氨酸(2 mol?dm-3)體積用量為2 mL來(lái)制備甘氨酸合銅(II)溶液。

圖3 Cu2+與甘氨酸反應(yīng)所需甘氨酸體積與溶液吸光度變化曲線

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作與溶度積的計(jì)算

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別用吸量管取0.10、0.20、0.30、0.40和0.50 mL的0.100 mol?dm-3CuSO4溶液于5個(gè)10.0 mL比色管中，各加2 mL 2 mol?dm-3甘氨酸溶液，加水定容，放置10 min后測(cè)定640 nm處的吸光度值，記錄數(shù)據(jù)。以A值為縱坐標(biāo)，C(Cu2+)為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖4a所示。與此同時(shí)，以氨水為顯色劑，配制不同濃度的Cu(NH3)42+，測(cè)定其在600 nm處的吸光度值，記錄數(shù)據(jù)。以A值為縱坐標(biāo)，C(Cu2+)為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖4b所示。

圖4 甘氨酸合銅(II)中銅離子濃度與640 nm吸光度的曲線關(guān)系圖(a)以及四氨酸合銅(II)中銅離子濃度與600 nm吸光度的曲線關(guān)系圖(b)

這里隨機(jī)抽取6位學(xué)生所制備的Cu(IO3)2飽和溶液，將這些飽和溶液各移取5.00 mL至比色管中，加2 mol?dm-3甘氨酸溶液并加水定容至10.0 mL。放置10 min后測(cè)定其吸光度值A(chǔ)，根據(jù)圖4a標(biāo)準(zhǔn)曲線可得這6份溶液中的Cu2+濃度C(Cu2+)。根據(jù)Ksp=[Cu2+][IO-3]2=32C3計(jì)算溶度積常數(shù)(文獻(xiàn)值Kθsp=1.4×10-7– 6.94×10-8)[9,12,13]。同時(shí)，以氨水做顯色劑配制一組對(duì)照溶液并測(cè)定其吸光度，根據(jù)圖4b標(biāo)準(zhǔn)曲線得到對(duì)應(yīng)各飽和溶液濃度，按相同方法計(jì)算Cu(IO3)2溶度積常數(shù)。相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 以甘氨酸和氨水分別為顯色劑測(cè)定Cu(IO3)2溶度積的數(shù)據(jù)列表(20 °C)

從表1中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，所得溶度積常數(shù)的數(shù)量級(jí)與文獻(xiàn)值一致，大小符合文獻(xiàn)值的范圍。以甘氨酸做顯色劑和以氨水做顯色劑測(cè)定的銅離子濃度十分接近。因而，二者所得溶度積數(shù)值也十分接近。這表明，以甘氨酸代替氨水作為該比色法測(cè)定Cu(IO3)2溶度積是合適的。更重要的是，甘氨酸為固體藥品，與銅離子反應(yīng)后，便于加熱濃縮回收處理得到甘氨酸合銅(II)，從而減少了環(huán)境污染。

此外，本實(shí)驗(yàn)將甘氨酸與銅離子的混合溶液控制在10 mL，也在一定程度上節(jié)約了藥品。

3 結(jié)語(yǔ)

以甘氨酸代替氨水作為顯色劑，所得甘氨酸合銅(II)能被有效回收，且所測(cè)定碘酸銅溶度積數(shù)據(jù)與理論值接近，表明該法可行。